Фотоэлектрические приборы и устройства, основанные на позиционно-чувствительных приемниках Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.383:531.71

О. А. Абакшина, Г. В. Егоров, С. М. Латыев, С. С. Митрофанов

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНИКАХ

Исследованы фотоэлектрические приборы и устройства для измерения линейных и угловых размеров, в которых использованы позиционно-чувствительные приемники типа „мультискан".

Ключевые слова: фотоэлектрические приборы, позиционно-чувствительные приемники.

Введение. В течение длительного времени в оптическом приборостроении предпринимаются попытки создания простых и надежных фотоэлектрических устройств, способных автоматически измерять линейные и угловые размеры [1]. Работы в данном направлении не привели пока к созданию достаточно простых и дешевых приборов, которые удовлетворяли бы требованиям машиностроителей при работе в условиях как лаборатории, так и цеха. Большинство таких устройств построено на приборах с зарядовой связью [2] и оптических растрах, которые требуют применения довольно сложной электронной аппаратуры для обработки измерительного сигнала и имеют ограниченный динамический диапазон.

Значительная часть проблем, возникающих при разработке аппаратуры такого класса может быть решена при использовании разработанного в РАН позиционно-чувствительного фотоприемника „мультискан", позволяющего непосредственно регистрировать положение светового пятна. Данный фотоприемник обладает теми же возможностями, что и ПЗС-строка, при большем быстродействии.

„Мультискан" является многофункциональным фотоприемным устройством. Опрос его фоточувствительных элементов — кремниевых фотодиодов — производится при помощи пар встречновключенных коммутационных диодов меньшей площади за счет перемещения вдоль структуры эквипотенциальной линии электрического поля. В процессе сканирования токи со всех приемных элементов постоянно поступают во внешнюю цепь, а информация о пространственном распределении освещенности формируется с учетом весовых коэффициентов, с которыми суммируются фототоки отдельных элементов. Режим коммутации, исключающий накопление заряда на элементных емкостях, обеспечивает регистрацию мгновенного распределения освещенности [3], при этом выходной сигнал мультискана ивык связан с линейным перемещением измеряемого объекта у выражением

где Ь — длина светочувствительной площадки „мультискана", ио — опорное напряжение, подаваемое на „мультискан".

На кафедре компьютеризации и проектирования оптических приборов НИУ ИТМО в течение последних лет исследовались характеристики „мультискана" с целью определения возможности использовать его в фотоэлектрических приборах для контроля геометрических параметров.

Авторами настоящей статьи была предложена функциональная схема фотоэлектрического индикатора на базе позиционно-чувствительного приемника „мультискан" (рис. 1).

(1)

Фотоэлектрические приборы, основанные на позиционно-чувствительных приемниках

89

При перемещении измерительного штока 1 происходит смещение центра светового пятна, создаваемого светодиодом 2, на светочувствительной площадке „мультискана" 3, с которого с помощью электронного блока 4 снимается аналоговый электрический сигнал и, выводимый на цифровой дисплей 5.

Искомое перемещение у и величина электрического сигнала связаны выражением

у = ^ и,

ио

(2)

где и — измеряемое напряжение.

На основе предложенной схемы спроектирован и изготовлен макет индикатора (рис. 2, 1 — фотоэлектрический индикатор, 2 — измеряемая концевая мера). С целью определения точностных характеристик были проведены исследования индикатора.

Измерялась предельная величина погрешности индикатора методом сравнения с концевыми мерами длины кл. 1 (ГОСТ 9083-73).

Погрешность составила Ау = 0,02 мм, а среднее квадратическое отклонение а = 0,007 мм.

Предложенный индикатор может быть применен в устройстве для контроля радиуса сферических поверхностей, внешний вид сферометра на основе „мультискана" приведен на рис. 3 (1 — индикатор, 2 — сферическая опора).

Рис. 1

Рис. 2 Рис. 3

Радиус поверхности вычисляется по следующему закону:

п В2 I В2 пА

Я =-+ — ± г =-+ — ± г,

8 у 2 8пА 2

(1)

где В — диаметр опорного кольца, г — радиус сферической опоры-шара (для вогнутой поверхности знак плюс, для выпуклой — минус), I — стрелка прогиба измеряемой линзы, п —

1

2

1

2

число электрических счетных импульсов, вырабатываемых индикатором линейных перемещений, А — цена импульса.

Индикаторы на основе „мультискана" могут быть использованы для контроля линейных размеров с возможностью алгоритмической коррекции [4]. Предварительный анализ погрешностей показал, что точность этого устройства не ниже точности аналогов.

На собранном макете устройства были произведены измерения поверхностей образцовой выпуклой линзы радиуса ^вып = 80,17 мм (о = 0,0013 мм) и образцовой вогнутой линзы Явог = 131,83 мм (а = 0,0007 мм).

Предложенные устройства на основе „мультискана" целесообразно использовать в качестве сферометров для контроля радиуса деталей оптических приборов и радиуса сферических поверхностей деталей газодинамических опор гироскопических приборов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бернштейн А. С. Фотоэлектрические измерительные микроскопы. М.: Машиностроение, 1976.

2. Онегин Е. Е. Точное машиностроение для микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1986.

3. Берковская К. Ф. и др. // ЖТФ. 1983. Т. 53, № 10. С. 2015—2045.

4. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов: Учеб. пособие. СПб: Политехника, 2007.

Ольга Алексеевна Абакшина

Геннадий Васильевич Егоров

Святослав Михайлович Латыев —

Сергей Сергеевич Митрофанов —

Сведения об авторах студентка; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; доцент д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; заведующий кафедрой; E-mail: [email protected] канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: [email protected]

Рекомендована факультетом ОИСТ

Поступила в редакцию 25.11.11 г.